內嵌式蒙皮散熱器氣動阻力影響研究

葉元鵬，李應杰，何宇

內嵌式蒙皮散熱器氣動阻力影響研究

葉元鵬，李應杰，何宇

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

開展內嵌式蒙皮散熱器對小型飛行器氣動阻力影響研究，探明氣動阻力產生的原因及影響因素。利用數值仿真技術，對氣動阻力增大的誘因進行理論分析，分別研究蒙皮散熱器引流口半徑、導流口半徑和翅片厚度等結構參數對飛行器氣動阻力及散熱性能的影響，進而平衡蒙皮散熱器散熱能力和飛行器氣動阻力等設計指標。配置蒙皮散熱器為電子設備提供熱沉會導致小型飛行器氣動阻力增大，原因是配置散熱器誘導產生了額外的壓差阻力和摩擦阻力。增大引流口、導流口半徑可減小壓差阻力，增加翅片厚度，則可減小摩擦阻力，進而減小飛行器氣動阻力。增加翅片厚度，可使氣動阻力減少20%以上，同時也會導致傳熱性能的顯著降低，增大引流口、導流口半徑則可在一定程度促進傳熱。

小型飛行器；蒙皮散熱；氣動阻力；耦合；數值仿真；湍流

隨著航空技術的發展，小型飛行器正成為一個重要的發展方向[1-6]。麥克唐納公司研發的AMD-20A“鵪鶉”[7]，是一種可按預定航線飛行的小型無人機。雷神公司研制的MALD是一種由渦噴發動機提供動力的飛行器，其主要通過模擬飛機的信號特征來保護飛機。

小型飛行器可通過搭載電子設備來實現不同的功能，其對于電子載荷及載荷能力配置的依存度越來越高。設計時，需要對電子載荷提供合理布局，并配備有效的散熱措施，確保電子載荷在全工況內能正常工作。對于動力型小型飛行器而言，受空間限制，載荷能力配置受限。同時，由于燃料攜帶量需占據較大重量、空間，對于航程要求較高的場景，無法利用有限的資源額外提供電子載荷所需環控散熱條件。由于內嵌式蒙皮散熱器不改變飛行器氣動外形，具有一體化優勢和較好的氣動特性，且作為被動低能耗冷卻方式，已被A320、B757、CL-600、C17、B16等飛機采用[8]。

采用內嵌式蒙皮散熱器為電子設備提供熱沉，是一種有效熱傳輸及低代償的方案。王超等[9]在某直升機載電子吊艙環控供液系統中采用蒙皮換熱器，對吊艙環控系統原理、試驗原理、制冷性能等開展了研究。曹仁鳳等[10]開展了基于蒙皮散熱器的無人機電子設備冷卻方案研究。徐鵬剛等[11]對蒙皮換熱器的結構、試驗方法開展了研究，提出了一種簡便的試驗方法。黨曉民等[12]、張宇等[13]、劉劍飛等[14]對蒙皮散換熱器的散熱性能及地面試驗等開展了研究。

采用內嵌式蒙皮散熱器可保持飛行器氣動外形，但在實際應用中還存在許多問題，如總壓恢復系數比較低，流動阻力較大，流場畸變大等[15-16]。蒙皮散熱器一般采用內嵌式翅片流道作為散熱通路，翅片結構是影響換熱器性能的重要因素。Luo等[17]以翅片高度、厚度以及間距等結構參數作為自變量，提出一種結構設計與優化算法，可用于水平板翅式散熱器的設計。王偉平等[18]在對多孔式翅片進行研究時也發現，增加孔隙率并不能明顯提升傳熱效率，反而會導致流阻增大。因此，在通過結構優化提高換熱器傳熱性能的同時，可能會導致流阻的上升，對于飛行器，氣動阻力又是制約其航程的重要因素，尤其是小型飛行器，氣動阻力的增大對其航程的影響更為顯著。此外，內嵌式蒙皮散熱器因其內嵌結構，會對空氣流向產生擾動，易誘導產生較大氣動阻力。然而，目前公開文獻對內嵌式蒙皮散熱器阻力來源，以及氣動阻力與散熱耦合等相關研究尚少有涉及。

綜上所述，本文以長度4 m以下的某小型飛行器的內嵌式蒙皮散熱器為研究對象，利用數值仿真技術，對氣動阻力增大的誘因進行理論分析，并分別研究引流口半徑、導流口半徑和翅片厚度等結構參數對飛行器氣動阻力及散熱性能的影響，為設計提供參考。

1 物理模型與網格劃分

1.1 物理模型

布置內嵌式蒙皮散熱器的某小型飛行器的幾何模型如圖1所示。散熱器安裝在飛行器前端頂部，散熱器外表面與飛行器共形，流道內嵌，形成內嵌式翅片，如圖2所示。

圖1 某小型飛行器幾何模型

圖2 某小型飛行器蒙皮散熱器

1.2 網格劃分

為提高數值仿真效率，本文網格劃分采用混合網格模型，如圖3所示。在具有不規則外形的散熱器/機體模型區域采用四面體非結構網格，在結構規則的外部流體區域采用六面體結構網格，同時局部細化飛行器周圍流體網格，并進一步細化飛行器表面流體網格。同時，為確保結構網格及非結構2種網格交界面處數據交互的準確性，在交界處對節點進行了合并。采用不同網格密度計算網格對計算模型進行網格無關性驗證。當網格數量達到580萬左右時，阻力變化小于5%，該網格基本滿足數值仿真要求，如圖4所示。

圖3 某小型飛行器網格模型

圖4 不同網格數量模型計算的氣動阻力

2 仿真設置及計算模型

2.1 邊界條件及假設

本文仿真計算的流體假設為滿足理想氣體狀態方程的空氣，固體為鋁合金。計算時所采用的邊界條件：外部流體域采用遠場邊界，飛行高度為500 m，飛行速度為0.6；計算域的固體壁面速度無滑移，計算模型中面設置為對稱邊界。物性參數見表1。

表1 材料物性參數

Tab.1 Physical parameters of materials

2.2 計算模型及仿真設置

計算域內的流動可通過求解質量守恒方程和動量守恒方程[19]完成，分別如式（1）和式（2）所示。

式中：為流體密度；為流體速度矢量；為流體微元體上的壓力；為時間；為因分子黏性作用而產生在微元體上的黏性應力張量；為力源項。

本文采用的湍流模型為Realizable-epsilon模型[20-21]，見式（3）和式（4）。

傳熱則通過求解能量方程實現，以溫度為變量的能量守恒方程[22]見式（5）。

式中：T為黏性熱源項。

上述的方程和邊界條件利用Fluent 18.0軟件完成求解。方程的求解采用壓力–速度耦合SIMPLE算法[23]。與一階迎風格式相比，二階迎風格式的精度更高[24-25]，所以壓力方程、動量方程、壓力以及能量方程采用二階迎風格式離散。

3 結果與分析

3.1 蒙皮散熱器氣動阻力來源分析

對于亞音速飛行器，氣動阻力的來源主要包括摩擦阻力、壓差阻力、干擾阻力以及誘導阻力[26-27]。其中，前3種阻力主要由空氣黏性引起，而最后的誘導阻力則由升力導致。干擾阻力和誘導阻力一般與機翼相關，不在本文的研究范疇。本節將對比不帶散熱器的飛行器與帶有蒙皮散熱器飛行器的氣動阻力，分析蒙皮散熱器氣動阻力來源，引出結構優化方向。

其中，無蒙皮散熱器飛行器的氣動阻力為145.7 N，而配置共形散熱器時，飛行器氣動阻力高達200.6 N，增加約38%，蒙皮散熱器對飛行器氣動阻力影響明顯。為分析散熱器氣動阻力來源，給出散熱器附近沿航向豎直截面內流場特征和壓力分布，如圖5a所示。由圖5a可知，在引流口近壁面附近，由強烈的速度差引起二次流，又稱迪恩渦。在二次流對應位置處，形成了較明顯的負壓，如圖5b所示。另外，在導流口附近，因為內嵌式導流口結構改變了空氣流向，使該處產生了較大的正壓，故散熱器導流口和引流口之間會有較大的壓差，進而產生壓差阻力。

圖5 RI=100 mm、RO=100 mm散熱器附近流場特征和壓力分布

另外，給出了散熱器附近沿著飛行器航向水平截面內的氣體速度（沿方向的速度分量）沿方向的梯度分布，如圖6所示。可以發現，流道內翅片附近存在較明顯的邊界層，在邊界層內速度梯度較大，結合空氣的黏性，將產生明顯的摩擦阻力。

圖6 散熱器翅片附近速度梯度分布

通過以上分析可知，蒙皮散熱器氣動阻力主要來自壓差阻力和摩擦阻力，其中壓差阻力與引流口、導流口結構相關，摩擦阻力主要與翅片結構有關。后文將研究引流口、導流口半徑以及翅片厚度對氣動阻力的影響。主要考慮以下3個結構參數的影響：不同進導流口半徑I對氣動阻力的影響；不同排導流口半徑O對氣動阻力的影響；不同翅片厚度對氣動阻力的影響（保持翅片厚度和流道寬度之和為10 mm不變）。

3.2 引流口、導流口半徑對氣動阻力的影響

翅片厚度相同的條件下，改變引流口半徑I、導流口O半徑，見表2。隨著引流口半徑的增加，飛行器氣動阻力降低，如圖7所示。同樣，隨著導流口半徑增加，氣動阻力也呈現降低的趨勢。從圖7中還可以看出，半徑變化相同的情況下，導流口對氣動阻力的影響更大，增大導流口半徑，可使氣動阻力相對于工況2減少12.6%。

圖7 引流口、導流口半徑對氣動阻力的影響

表2 散熱器幾何尺寸

Tab.2 Geometric size of radiator

為分析引流口、導流口半徑對氣動阻力的影響機制，分別給出散熱器附近的流場特征和壓力分布，如圖8所示。增大引流口半徑，引流口附近的二次流尺寸顯著減小，引流口附近不再存在明顯的負壓區域（如圖8b所示），整體壓差減小，使得氣動阻力減小。

圖8 RI=150 mm、RO=100 mm散熱器附近流場特征和壓力分布

由圖9可知，增大導流口半徑，可使空氣流向的改變減緩，減小了導流口對從內嵌流道流出空氣的阻擋，所以此處的空氣增壓幅度以及區域明顯減小（如圖9b所示），進而減小了整體壓差，使得氣動阻力減小。

圖9 RI=100 mm、RO=150 mm散熱器附近的流場特征和壓力分布

3.3 翅片厚度對氣動阻力的影響

在引流口半徑I、導流口O半徑固定的條件下，改變翅片厚度，見表3。隨翅片厚度增加，飛行器氣動阻力逐漸減小，相對于工況1，氣動阻力可降低21.0%，如圖10所示。導致這一現象的原因是，隨散熱翅片厚度增加，流道寬度減小，一方面會減小進入內嵌流道空氣流速，減小速度梯度；另一方面會減小流道中流體體積，從而減小因速度差而累積的摩擦阻力。總體而言，翅片厚度增加可減小摩擦阻力，進而降低飛行器氣動阻力。

表3 散熱器幾何尺寸

Tab.3 Geometric size of radiator

圖10 翅片厚度對氣動阻力的影響

3.4 低氣動阻力散熱器結構對散熱性能的影響

為評估在優化減小散熱器氣動阻力的同時，對散熱性能產生的影響，本文進行了非等溫模擬。在非等溫模擬中，設置遠場空氣溫度為300 K，散熱器底部添加熱流密度均勻的熱源，熱耗約700 W，飛行器其余面假設為絕熱面。選取3種氣動阻力較小的散熱器結構（工況2—4）與參考結構（工況1）進行對比，見表4。

表4 用于非等溫模擬的散熱器幾何尺寸

由表4可知，增大引流口、導流口半徑，對散熱能力基本沒有影響，而增大翅片厚度會降低散熱性能。因此，在選取結構參數時，可在允許范圍內，盡量增大引流口和導流口半徑；對于翅片厚度，應根據需求確定。當散熱需求更高時，需減小翅片厚度；當飛行器氣動阻力有較大限制時，則需要適當增大翅片厚度。

4 結論

本文對布置內嵌式蒙皮散熱器的某小型飛行器氣動阻力影響進行了數值仿真分析，得出如下主要結論：

1）內嵌式蒙皮散熱器會增大飛行器氣動阻力，氣動阻力主要包括壓差阻力和摩擦阻力，其中壓差阻力主要由引流口、導流口結構所致，摩擦阻力則主要由翅片結構所致。

2）增大引流口和導流口半徑可在一定程度上減小飛行器阻力，其中導流口半徑的影響更大。增大導流口半徑，可使氣動阻力相對于參考工況減少12.6%。

3）增加翅片厚度，飛行器氣動阻力會顯著降低，相對于參考工況，氣動阻力可減小21.0%。

4）改變引流口、導流口半徑，對散熱能力基本沒有影響，而增大翅片厚度，則會顯著降低散熱性能。

本文分析了4種結構參數對氣動阻力的影響，可以為內嵌式蒙皮散熱器結構設計帶來一定指導。如本文所述，散熱器誘導產生的阻力機制有2類，這2類阻力機制以及4種結構參數之間是否存在耦合影響仍需研究，這將在后續工作中進行進一步研究。

[1] 冒燕, 韓彥明, 郭倩, 等. 微型空射誘餌壓制性干擾的仿真與分析[J]. 現代雷達, 2014, 36(1): 11-14. MAO Yan, HAN Yan-ming, GUO Qian, et al. Simulation and Analysis of MALD Blanket Jamming[J]. Modern Radar, 2014, 36(1): 11-14.

[2] 何金洋, 趙全習. 地面防空應對微型空射誘餌對策研究[J]. 飛航導彈, 2014(10): 66-70. HE Jin-yang, ZHAO Quan-xi. Study on Countermeasures of Ground Air Defense Against Miniature Air-Launched Bait[J]. Aerodynamic Missile Journal, 2014(10): 66-70.

[3] 陳美杉, 曾維貴, 王磊. 微型空射誘餌發展綜述及作戰模式淺析[J]. 飛航導彈, 2019(3): 28-33. CHEN Mei-shan, ZENG Wei-gui, WANG Lei. Development Summary and Operational Mode Analysis of Miniature Air-Launched Decoy[J]. Aerodynamic Missile Journal, 2019(3): 28-33.

[4] 陳美杉, 胥輝旗, 李湉雨. 微型空射誘餌支援突防策略生成[J]. 兵器裝備工程學報, 2020, 41(6): 89-95. CHEN Mei-shan, XU Hui-qi, LI Tian-yu. Penetration Strategy Generation Aiding by Miniature Air-Launched Decoy[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2020, 41(6): 89-95.

[5] 張靜元, 趙非玉, 高旭恒, 等. 國外動力型誘餌的研究現狀[J]. 光電技術應用, 2020, 35(2): 1-6. ZHANG Jing-yuan, ZHAO Fei-yu, GAO Xu-heng, et al. Research on Kinematic Decoy at Abroad[J]. Electro-Optic Technology Application, 2020, 35(2): 1-6.

[6] 羅木生, 于楷澤, 王泓臻, 等. 小型空射誘餌在制空作戰中的運用[J]. 指揮控制與仿真, 2023, 45(1): 63-67. LUO Mu-sheng, YU Kai-ze, WANG Hong-zhen, et al. Research on the Application of Miniature Air Launched Decoy in Air Dominance Operations[J]. Command Control & Simulation, 2023, 45(1): 63-67.

[7] 楊會林, 鄒敏懷, 王少鋒. 空射誘餌發展分析[J]. 教練機, 2012(1): 48-51. YANG Hui-lin, ZOU Min-huai, WANG Shao-feng. Analysis on Development of Air-Launched Decoy[J]. Trainer, 2012(1): 48-51.

[8] Airbus Industrie. A319/A320/A321 Technical Training Manual[EB/OL]. Toulouse: Airbus Industrie, [2012-03-01].

[9] 王超, 葉元鵬. 某直升機載電子吊艙環控供液系統[J]. 電子機械工程, 2017, 33(5): 32-35. WANG Chao, YE Yuan-peng. Liquid Supply Environmental Control System for Helicopter-Mounted Electronic Pod[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2017, 33(5): 32-35.

[10] 曹仁鳳, 晏濤, 周君慧, 等. 基于蒙皮換熱器的無人機電子設備冷卻方案分析[J]. 電子機械工程, 2015, 31(6): 15-18. CAO Ren-feng, YAN Tao, ZHOU Jun-hui, et al. Analysis of Electronic Equipment Cooling Scheme Based on Skin Heat Exchanger for Unmanned Aerial Vehicles[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2015, 31(6): 15-18.

[11] 徐鵬剛, 張興娟, 吳洪飛. 飛機蒙皮換熱器等效傳熱試驗方法研究[J]. 中國民航飛行學院學報, 2016, 27(2): 30-33. XU Peng-gang, ZHANG Xing-juan, WU Hong-fei. Study on Experimental Method of Equivalent Heat Transfer for the Skin Heat Exchanger[J]. Journal of Civil Aviation Flight University of China, 2016, 27(2): 30-33.

[12] 黨曉民, 龐麗萍, 林貴平. 基于地面實驗的蒙皮換熱器高空換熱性能分析[J]. 北京航空航天大學學報, 2013, 39(4): 474-477. DANG Xiao-min, PANG Li-ping, LIN Gui-ping. High-Altitude Heat Transfer Performance Analysis for Skin Heat Exchanger Based on Ground Experiment[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(4): 474-477.

[13] 張宇, 謝煒程, 王曉亮. 平流層飛艇螺旋槳布局對蒙皮表面對流換熱系數影響數值仿真研究[J]. 裝備環境工程, 2020, 17(1): 25-30. ZHANG Yu, XIE Wei-cheng, WANG Xiao-liang. Numerical Simulation on Influences of Stratospheric Airships Envelope with Different Layouts of Propeller on Convective Heat Transfer Coefficient on Envelope[J]. Equipment Environmental Engineering, 2020, 17(1): 25-30.

[14] 劉劍飛, 李喬喬. 蒙皮換熱器性能研究與地面試驗[J]. 河南科技, 2021, 40(28): 52-54. LIU Jian-fei, LI Qiao-qiao. Skin Heat Exchanger Performance Research and Ground Experiment[J]. Journal of Henan Science and Technology, 2021, 40(28): 52-54.

[15] 楊愛玲, 夏陽, 郭榮偉, 等. 埋入式進氣道的設計及其氣動性能研究[J]. 空氣動力學學報, 1998, 16(2): 154-161. YANG Ai-ling, XIA Yang, GUO Rong-wei, et al. An Investigation on Design and Performance for a Submerged Air Intake[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 1998, 16(2): 154-161.

[16] SPROUSE J. F-22 Environmental Control/Thermal Management Fluid Transport Optimization[C]//SAE Technical Paper Series. Warrendale: SAE International, 2000.

[17] LUO Xiao-bing, XIONG Wei, CHENG Ting, et al. Design and Optimization of Horizontally-Located Plate Fin Heat Sink for High Power LED Street Lamps[C]//2009 59th Electronic Components and Technology Conference. San Diego: IEEE, 2009: 854-859.

[18] 王偉平, 張淑文, 楊健, 等. 多孔式翅片傳熱與流阻特性分析[J]. 低溫工程, 2012(2): 40-43. WANG Wei-ping, ZHANG Shu-wen, YANG Jian, et al. Analysis of Heat Transfer and Flow Resistance Characteristics in Perforated Fin[J]. Cryogenics, 2012(2): 40-43.

[19] BIRD R B. Dynamics of polymeric liquids[M]. 2nd ed. New York: Wiley, 1987.

[20] 陶文銓. 數值傳熱學[M]. 第2版. 西安: 西安交通大學出版社, 2001. TAO Wen-quan. Numerical Heat Transfer[M]. 2nd ed. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2001.

[21] SHIH T H, LIOU W W, SHABBIR A, et al. A New-? Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbul-ent Flows[J]. Computers & Fluids, 1995, 24(3): 227-238.

[22] VERSTEEG H K, MALALASEKERA W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method[M]. 2nd ed. Harlow: Pearson Education Ltd, 2007.

[23] PATANKAR S V, SPALDING D B. A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer in three-Dimensional Parabolic Flows[M]. Amsterdam: Elsevier, 1983.

[24] HOSSEINALIPOUR S, MASHAEI P, HAJIPARVANEH E, et al. An Introduction to a Chaotic Mixer with Three Rotational Arc-Shaped Blades[C]// Proceedings of18th Fluid Dynamics. Mashhad: Ferdowsi University, 2020.

[25] HE Yu, SUN Zhi-bin, SHEN Bao-jun, et al. CFD Study on the Flow Distribution of an Annular Multi-Hole Nozzle[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2020, 98(2): 590-606.

[26] 葉露, 趙趕超. 亞聲速飛機阻力源及減阻措施研究[J]. 航空科學技術, 2019, 30(11): 36-40. YE Lu, ZHAO Gan-chao. Drag Source and Drag Reduction Measures Study of Subsonic Aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology, 2019, 30(11): 36-40.

[27] 葉露. 空氣動力學與飛行原理[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2019. YE Lu. Aerodynamics and Flight Principles[M]. Dalian: Maritime University Press, 2019.

Effect of Embedded Skin Radiator on Aerodynamic Drag

YE Yuan-peng, LI Ying-jie, HE Yu

(The 29th Research Institute of CETC, Sichuan Chengdu 610036, China)

The work aims to investigate the effect of embedded skin radiator on aerodynamic drag of small aircraft, and explore the causes and affecting factors of aerodynamic drag. The inducement for the increase of aerodynamic resistance was theoretically analyzed with numerical simulation technology. In order to guarantee the balance between design indicators such as heat transfer of skin radiator and aerodynamic drag of aircraft, the effect of structural parameters such as skin radiator drain port radius, guide port radius and fin thickness on the aerodynamic drag and heat transfer of the aircraft was studied. The skin radiator was configured to provide heat sink for electronic equipment, leading to the increase of aerodynamic drag of small aircraft due to the additional pressure drag and frictional drag. The pressure drop drag can be reduced by increasing the drain port and the friction drag can be reduced by increasing the fin thickness, thus reducing the aerodynamic drag of small aircraft. Increasing the fin thickness can reduce the aerodynamic drag by more than 20%, and lead to a significant reduction in heat transfer performance. However, increasing the radius of the drain port and the guide port can promote the heat transfer to a certain extent.

small aircraft; skin heat dissipation; aerodynamic drag; coupling; numerical simulation; turbulence

2022-11-17；

2023-02-07

YE Yuan-peng (1985-), Male, Master.

葉元鵬, 李應杰, 何宇. 內嵌式蒙皮散熱器氣動阻力影響研究[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(6): 036-042.

V271.9

A

1672-9242(2023)06-0036-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.005

2022–11–17；

2023–02–07

葉元鵬（1985—），男，碩士。

YE Yuan-peng, LI Ying-jie, HE Yu.Fatigue Effect of Embedded Skin Radiator on Aerodynamic Drag[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 036-042.

責任編輯：劉世忠